本站原创摘 要 ：虚拟手术是虚拟现实技术在医学领域的一个重要应用,人机交互水平是决定仿真系统好坏的关键部分.介绍了手术仿真系统的硬件接口设计,该系统采用Wiimote控制器作为硬件接口,利用其陀螺仪数据捕获其在三维空间的旋转信息,其加速度感应器追踪其三维平移运动轨迹.结合二者的数据完整地实现手术器械6个自由度, 可以为使用者提供较好的手术仿真体验.
关 键 词 关 键 词 ：虚拟手术；Wiimote控制器；三轴加速度计；三轴陀螺仪
中图分类号：TP319
文献标识码：A 文章编号：16727800（2014）002009403
0引言
手术仿真系统是医学仿真中的一个重要应用,具有极大的实用价值.它可以使医生和医学生在逼真的仿真环境中无风险地进行手术模拟练习,体验各种临床手术中可能发生的情况,大大节省学习时间和费用.手术仿真融合了计算机图形学、医学、生物力学、人机交互、电子等多个学科,具有较高的挑战性[1].其中硬件接口负责捕获和传输操作者对手术器械施加的各种动作信息,返回器械对操作者的力反馈,使操作者直观地控制手术器械,提高仿真的真实度.手术仿真领域已经有一些商业化的硬件接口解决方案,例如商业触觉设备PHANToM Omni,可实现空间的6个自由度和力反馈[2],但设备昂贵（约1000$）,并且存在几何空间不兼容、力大小不正确的情况.工作人员虽然得到了力反馈,但与实际相差较大[3].
本文采用任天堂公司的体感游戏手柄Wiimote作为硬件接口.该体感手柄设计精巧,无线连接,利用其内置的陀螺仪检测手柄的旋转信息,加速度感应器检测手柄的位移信息,可以让使用者非常直观地进行操作.而且低廉（约30$）,是手术仿真较好的硬件接口解决方案.
1Wiimote 控制器原理
1.1概况
Wiimote是任天堂公司于2006年为其旗下游戏机Wii开发的体感游戏手柄,通过蓝牙传输数据,内置三轴加速度计、高分辨率红外摄像头、4个LED指示灯、12个按键以及喇叭等重要部件,外形如图1所示.2010年任天堂公司发布Wiimote配件Motion Plus,内含三轴陀螺仪.本文所采用的Wiimote内置了Motion Plus.Nunchuk是wiimote的另一个辅助配件,其内置三轴加速度计,2个按键和一个二维摇杆（见图2）.本系统设计Wiimote作为主控制器,Nunchuk作为辅助控制器.
1.2工作原理
1.2.1三轴加速度计
加速度计本质上是一个震荡系统,用于输出载体在轴方向上的线性加速度值.内置在Wiimote和Nunchuk中的三轴加速度计是美国模拟器件公司生产的ADXL330,它具有±3g的感应范围,每个轴上的返回数据存储在8bits空间上,并且具有100Hz的数据更新率[4].
其工作原理如图3：单位质量的小球放置于立方体盒子中,盒子的6个面感应小球的力,分别对应于x、y、z轴.完全静止下只有重力,因此-z轴有1g的力,其余轴为0.受力运动时,由于惯性,小球会撞到反方向的盒面上,盒面捕捉受力,根据牛顿运动定理：F等于ma,即可返回对应的加速度值[5].
在无线性运动的情况下,它还可以测出偏转角度.原理如图4：载体摆放位置的变化会影响各个面的受力（三个力的合力和重力等值反向）,可以由返回的加速度值求出三个方位角[5].
1.2.2 三轴陀螺仪
陀螺仪是角动量守恒定理的一个实际应用,用于输出载体在轴方向上的角速度值.由各个轴上的瞬时角速度值,可以积分出角度变化.理论上看,陀螺仪和加速度计在检测旋转的功能上有重叠.陀螺仪更适合高精度、反应快速的旋转；加速度计适用于有固定重力参考系,旋转运动被限制在一定范围内的旋转.在Wiimote的三维旋转中,俯仰角pitch是绕x轴旋转的角度,水平翻滚角roll是绕y轴旋转的角度,水平偏航角yaw是绕Z轴旋转的角度,如图5.
3结语
本文主要利用Wiimote和Nunchuk中的加速度计和陀螺仪进行硬件接口设计,主手柄拥有加速度计和陀螺仪,利用其中的陀螺仪捕捉旋转信息,并由旋转信息反推对加速度计的影响,用更新后的加速度值计算位移变化.考虑到实际手术中的情况和硬件本身的限制,Nunchuk利用加速度值计算旋转信息,利用上面的二维遥杆进行二维移动.